半杯水做覆杯实验-半杯水心态
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半杯水做覆杯实验
后宗新
芜湖县实验学校,安徽芜湖 241100
摘要:覆杯实验通是过硬纸片托住倒置的杯中水,来验证大气压的存在,它是中学物理教学中常见的演示实验之一。
在做这个实验时,教师通常强调杯中要装满水,否则实验就会失败,而事实并非如此。
本文将在动手操作、仔细观察的基础上,通过具体的推算来解释用半杯水做覆杯实验也能成功的道理。
关键词:探究;半杯水;覆杯实验
关于用半杯水做覆杯实验,有两种看法,有人认为不能成功;有人认为能成功,但对成功的解释是不同的。
下面笔者针对上述情况进行分析:
1 认为半杯水做覆杯实验不能成功
如图1所示,当水杯倒置后,杯内水面上方的气压没有变化,
与外界的大气压相等,水、硬纸片在其重力作用下掉落。
实验表明,半杯水做覆杯实验依然能够成功。
通过仔细观察发
现水杯倒置后,硬纸片发生了形变,所以,倒置前后杯内气压发生
了变化,上述解释的前提是错误的。
2 半杯水做覆杯实验能成功
解释1:如图2所示,当水杯倒置后,硬纸片会在水的压力作用下向杯外突出,导致杯内的空气体积增大,根据玻―马定律,杯内的气体压强会减小,小于外界的大气压强,因此实验能成功。
这种解释看似合情合理,但通过实验的仔细观察,发现水杯倒
置后硬纸片不是向杯外凸出,而是相反,向杯内凸出。
这种解释违
背了实验事实,当然是不正确的。
解释2:在做覆杯实验时仔细观察,我们可以观察到硬纸片向
杯内凸出,同时硬纸片离开杯口有一个微小的距离,如图3所示。
下面我们来进行推算:
为了简化,设杯子为圆柱形,高度为H,杯内水深h,杯子内截面积为S。
倒置前,杯内气体压强p1=p0,倒置后,杯内空气柱的体积变大,V2=V1+△V,气体的压强减小,p2=p1-△p
根据玻―马定律p1V1=p2V2,可得:
p0V1=p0V1+p0△V-△p V1-△p△V,
略去△p△V,则p0△V=△p V1(1)
水杯倒置后,对纸片作受力分析,向下的力有:卡片自重G
卡,杯内水的压力ρghS,杯内气体产生的压力
(p0-△p) S;向上的力有:
浸润现象产生的水对纸片的拉力F浸,杯外气体产生的压力p0S。
满足纸片恰好不下落的条件:
图1
覆杯实验示意图图2 实验示意图2图3 实验示意图
3
G 卡+ρghS +(p 0-△p ) S =F 浸+p 0S
由于浸润现象产生的水对纸片的拉力和纸片自重都很小,(且这两个力方向相反,近似抵消),可以略去。
所以,△p =ρgh (2)
由(1)、(2)可得,△V 。
01
p ghV ρ=所以,倒置时水柱下降△h 。
10
)()(001h H h p h H gh Sp ghV S V -=-==∆=ρρ(其中p 0取105 Pa ,g 取10 N/kg )
当h =H -h 时,即时,h (H -h )有最大值,也即△h 值最大。
2
H h =假设水杯的高度H =0.2m ,当装入半杯水时,即h =0.1m ,可算出(△h )最大=10-3m 。
倒置水杯时,只要满足硬纸片向下移动1mm ,大气压即可托住杯内的水,同时这个微小的下移,也不至让外界的大气进入杯内,即半杯水做覆杯实验能够成功。
如果杯内装入超过一半或少于一半的水,通过计算,△h 更小,实验也更容易成功。
如果在硬纸片上均匀涂上一层石蜡,即用非浸润材料去做,要使
实验获得成功,笔者通过实验发觉,其操作要领是覆杯时要把纸片稍
向杯内压入,松手后硬纸片的凹陷程度变小,导致杯内的气体压强减
小,如图4所示。
覆杯实验是初中物理教材中证明大气压存在的经典实验,看似简
单,但仔细观察,认真分析,会有很多内容值得我们去探讨。
参考文献:
[1] 李继兰.对覆杯实验再探讨[J].物理教学探讨,2007,24(8):53—
54
注:此文在《物理教学探讨》杂志2016年第11期上发表。
图4。